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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Güsse
für einen
Schweißpistolenarm,
die beim Roboterschweißen geeignet
sind.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Das
Roboterschweißen
wird bei modernen Automobilmontagebändern zum Verbinden einer Vielzahl von
unterschiedlichen Teilen weitläufig
verwendet. In einem typischen Roboterschweißgerät wird Wärme zum Schweißen durch
eine Widerstandselektrode erzeugt, die in einem Schweißpistolenarm
montiert ist. Da Elektrizität
zur Elektrode direkt durch den Schweißpistolenarm geliefert wird,
muß der
Schweißpistolenarm
so entworfen sein, um eine hohe elektrische Ladung zu tragen. Zusätzlich muß er stark
und stoßsicher
sein. Zusätzlich
muß er
diese Eigenschaften über
eine lange Nutzungsdauer zeigen, da die meisten Schweißpistolenarme entwickelt
werden, um 1 Million oder mehr Schweißungen durchzuführen.
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Demzufolge
erfordern gegenwärtige
Industriespezifikationen die besten Schweißpistolenarme, die heutzutage
verwendet werden, die als "Class
III RWMA"-Schweißpistolengüsse bekannt
sind ("RWMA bezieht sich
auf Resistance Welding Manufacturers' Association), die aus Materialien mit
einer minimalen Rockwell-Härte
von 90B und einer minimalen elektrischen Leitfähigkeit von 45% IACS herzustellen
sind.
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Aufgrund
dieser anspruchsvollen Erfordernisse und aufgrund ihrer komplexen
Form werden die meisten Schweißpistolenarme,
die in der nordamerikanischen Automobilindustrie verwendet werden,
aus gegossenen, ausscheidungsgehärteten
Kupferlegierungen der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
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Siehe
insbesondere Harkness et al, Beryllium-Copper and Other Beryllium-Containing
Alloys, Metals Handbook, Band 2, 10. Auflage, ©1993
ASM International, wo angegeben wird, daß Legierungen mit hohen elektrischen
Leitfähigkeiten
ebenso wie ausgezeichneter Festigkeit und Härte hergestellt werden können durch
Zugabe kleiner Mengen an Beryllium und Nickel zum Kupfermetall und
dann Ausscheidungshärten
der so erhaltenen Legierung.
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Schweißpistolenarme
werden industriell von Herstellern geliefert, die unterschiedliche
Pistolenarme für
unterschiedliche Anwendungen entwickeln. In der normalen Praxis
stellen diese Hersteller ebenfalls ihre eigenen Schweißpistolenarme
aus von ihnen hergestellten geschmolzenen Legierungen her. D. h.,
die Hersteller erzeugen eine der obigen Legierungen, gewöhnlicherweise
aus reinem Kupfermetall, reinem Nickel und einer BeCu-Masterlegierung
enthaltend 4% Be, die von einem Berylliumlieferanten erhalten wird.
Der Hersteller gießt
dann die Legierung in einen Gegenstand mit nahezu Nettoform – d. h.
ein Gußteil,
dessen Form der Endform des gewünschten
Endprodukts sehr nahe ist. Das Gußteil mit nahezu Nettoform
wird dann bearbeitet, beispielsweise durch Bohren, Schneiden oder
Biegen, um den Schweißpistolenarmproduktguß herzustellen. Ausscheidungshärten wird
gewöhn licherweise
durchgeführt,
nachdem die Herstellung vollständig
ist, obwohl es vor dem abschließenden
Formen durchgeführt
werden kann, wenn es gewünscht
ist.
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Ein
beträchtliches
Problem, dem die Roboterschweißindustrie
gegenübersteht,
ist ein vorzeitiges Schweißpistolenarmversagen.
Die meisten Schweißpistolenarmgüsse werden
für eine
vorgegebene geeignete Dauer, wie für 1 Million oder mehr Schweißungen,
entwickelt. Viele erreichen dieses Ziel. Jedoch zerreißen oder
brechen viele lange bevor ihre Nutzungsdauer abgelaufen ist. Dies
erfordert häufig
ein Stilllegen der Herstellungslinien ebenso wie einen teuren Austausch
der Teile.
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Demzufolge
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Technologie
zum betriebssicheren und konsistenten Herstellen von Schweißpistolenarmgüssen bereitzustellen,
die nicht nur die Festigkeit, Härte
und elektrische Leitfähigkeit
eines gegenwärtig
erhältlichen
Produkts zeigen, sondern ebenfalls ein vorzeitiges Versagen vermeiden.
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Zusätzlich ist
es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue Schweißpistolengüsse bereitzustellen,
die die Festigkeit, Härte
und elektrische Leitfähigkeit
eines gegenwärtig
erhältlichen
Produkts und zusätzlich
eine überlegene
Dauerfestigkeit verglichen mit dem gegenwärtig erhältlichen Produkt zeigen.
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JP-A-04
276 037, die sich auf einen Rahmen für einen Mehrfachstecker mit
guter Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit bezieht, erwähnt ein
Rahmenmaterial aus einer Legierung auf Kupferbasis, die 0,5% Be, 0,5%
Co und 2,% Ni umfaßt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
und andere Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung erreicht,
die auf der Entdeckung basiert, daß ein vorzeitiges Versagen
von BeNiCu-Schweißpistolenarmgüssen im wesentlichen
vermieden werden kann, ohne Festigkeit, Härte oder elektrische Leitfähigkeit
zu opfern, durch Einschließen
von Cobalt in dem Guß und
ferner durch Steuern des (Ni + Co)/Be-Verhältnisses
im Guß auf
etwa 4 oder größer.
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Somit
stellt die vorliegende Erfindung einen Guß für einen Schweißpistolenarm
bereit, der hergestellt ist aus einer BeNiCu-Legierung, die 0,35
bis 0,8 Gew.-% Be, 0,2 bis 0,9 Gew.-% Co und 1,5 bis 2,4 Gew.-% Ni
umfaßt,
wobei der Rest Cu und nebensächliche
Verunreinigungen ist, wobei das (Ni + Co)/Be-Verhältnis in der
Legierung bei wenigstens etwa 4 liegt.
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Der
Guß für einen
Schweißpistolenarm
gemäß der Erfindung
umfaßt
einen unbearbeiteten Körper
einer komplexen Form mit einem distalen Ende zum Montieren einer
Widerstandselektrode und einem proximalen Ende zum Anfügen an die
Roboteranordnung eines Roboterschweißgeräts. Die BeNiCu-Legierung umfaßt bevorzugt
etwa 0,5 bis 0,6 Gew.-% Be, etwa 0,4 bis 0,6 Gew.-% Co und etwa
1,8 bis 2,0 Gew.-% Ni, wobei der Rest Cu und nebensächliche
Verunreinigungen ist, wobei das (Ni + Co)/Be-Verhältnis in
der Legierung wenigstens 4 ist.
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Zusätzlich liefert
die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren zum betriebssicheren
und konsistenten Herstellen von Güssen für einen Schweißpistolenarm,
die ausgezeichnete Dauerfestigkeit und lange Nutzungsdauern zeigen,
wobei das Verfahren das Bilden der Güsse aus einer oben erwähnten BeNiCu-Legierung umfaßt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen
leichter verstanden werden, in denen:
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1 ein
schematisches Diagramm eines Roboterschweißgeräts ist, das mit einem verbesserten
Guß für einen
Schweißpistolenarm,
der gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt worden ist, hergestellt wurde; und
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2 ein
schematisches Diagramm eines verbesserten Gusses für einen
Schweißpistolenarm
ist, der gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung können
Güsse für einen
Schweißpistolenarm,
die ausgezeichnete Dauerfestigkeit und lange Nutzungsdauern ebenso
wie gute Festigkeit, Härte
und elektrische Leitfähigkeit
zeigen, betriebssicher und konsistent durch Bilden des Gusses aus
einer BeNiCu-Legierung hergestellt werden, die etwa 0,5 bis 0,6
Gew.-% Be, etwa 0,4 bis 0,6 Gew.-% Co und etwa 1,8 bis 2,0 Gew.-%
Ni umfaßt,
wobei der Rest Cu und nebensächliche
Verunreinigungen ist, wobei das (Ni + Co)/Be-Verhältnis in
der Legierung etwa 4 oder mehr ist.
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Struktur des
Gusses für
einen Schweißpistolenarm
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1 und 2 veranschaulichen
schematisch die Struktur eines typischen Gusses für einen Schweißpistolenarm
und ebenso ein Roboterschweißgerät, das mit
einem solchen Guß hergestellt
wird.
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Wie
in 1 gezeigt, ist ein Roboterschweißgerät, das im
allgemeinen mit 10 bezeichnet wird, zusammengesetzt aus
einer Basis oder Grundlage 12, einer Trägerstruktur 14 und
einer Roboteranordnung, die im allgemeinen mit 16 bezeichnet
wird. Die Roboteranordnung 16 schließt ein bewegliches oder gelenkiges
Fortsatzbauteil 20 zum Tragen einer Widerstands elektrode 18 und
eines Motors 22 zum Bewegen des Fortsatzbauteils 20 in
seine Schweißposition
und aus dieser heraus ein. An seinem distalen Ende trägt das Fortsatzbauteil 20 einen
Schweißpistolenarm 24,
welcher wiederum die Widerstandselektrode 18 trägt. Elektrische
Kabel (nicht gezeigt) werden durch das Fortsatzbauteil 20 zum
Liefern von elektrischem Strom zur Widerstandselektrode 18 über den
Schweißpistolenarm 24 getragen.
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Wie
in 2 veranschaulicht ist, ist ein typischer Schweißpistolenarm 24 aus
einem nicht bearbeiteten Guß 26 mit
einem proximalen Ende 28 zum Montieren im Fortsatzbauteil 20 und
einem distalen Ende 30 zum Tragen der Widerstandselektrode 18 zusammengesetzt.
Wie im Falle praktisch aller industriell verwendeten Schweißpistolen
ist der Schweißpistolenarm 24 der
Form nach komplex. D. h. der Schweißpistolenarm 24 weist
keine Form mit einem im wesentlichen einheitlichen Querschnitt entlang
des größten Teils
oder der gesamten Länge
auf. Vielmehr variiert seine Querschnittsform beträchtlich
entlang seiner Länge.
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In
Wirklichkeit bedeutet dies, daß der
Schweißpistolenarm 24,
als eine praktische Sache, lediglich durch ein Gußverfahren
hergestellt werden kann, bei welchem ein Gegenstand von nahezu Nettoform
zunächst
hergestellt wird und dann dieser zu nahezu Nettoform gebildeter
Gegenstand einer kleineren Verarbeitung unterzogen wird, wenn es
notwendig ist, um die gewünschte
Endform zu erhalten. In diesem Zusammenhang bedeutet "Gegenstand von nahezu
Nettoform" einen
Gegenstand, der im gegossenen Zustand eine Form aufweist, die die
gleiche ist oder sehr ähnlich
ist zur Endproduktform, die gewünscht
wird, so daß das zusätzliche
Bearbeiten, das erforderlich ist, um die Endform zu erhalten, gering
ist. Der Schweißpistolenarm 24 (und
andere Gegenstände
komplexer Form) können
normalerweise durch Verfahren hergestellt werden, die ein beträchtliches
Bearbeiten der Legierung einschließen, da es keinen praktischen, ökonomischen
Weg zum Bearbeiten solcher Gegenstände gibt.
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In
diesem Zusammenhang ist es gut bekannt, daß die mechanischen Eigenschaften
vieler ausscheidungsgehärteter
Legierungen beträchtlich
verbessert werden können,
wenn vor dem Ausscheidungshärten die
Legierung einer beträchtlichen
einheitlichen, mechanischen Deformation, d. h. "einen Bearbeiten", unterzogen wird. Siehe beispielsweise
den oben erwähnten
Artikel von Harkness et al. Demzufolge werden die meisten Produkte
von einfacher Form, die aus ausscheidungshärtbaren Legierungen gebildet
werden, beträchtlich
vor dem Ausscheidungshärten
bearbeitet. Produkte komplexer Form können jedoch normaler Weise nicht
auf diese Weise hergestellt werden, da die herkömmlichen Verfahren, die zum
Bearbeiten verwendet werden – Walzen,
Schmieden und Extrusion –,
Produkte mit einheitlicher Querschnittsform ergeben. Demzufolge sind
Gegenstände
komplexer Form, wie der Schweißpistolenarm 24,
zumeist immer unbearbeitet, wenn sie in der Endform sind – d. h.
wenn sie zur kommerziellen Verwendung bereit sind.
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Daher
wird verstanden, daß die
erfindungsgemäßen Güsse für einen
Schweißpistolenarm
ebenso wie die Legierungen, aus denen sie hergestellt werden, unbearbeitet
sind, was bedeutet, daß sie
nicht "bearbeitet" worden sind, wenn
die Herstellung der erfindungsgemäßen Schweißpistolenarme vollständig ist
und sie zur kommerziellen Anwendung bereit sind.
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Legierungschemie
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Die
verwendeten Legierungen, um die erfindungsgemäßen Güsse für einen Schweißpistolenarm
zu bilden, umfassen etwa 0,35 bis 0,80, typischer 0,4 bis 0,7 und
insbesondere 0,5 bis 0,6 Gew.-% Be; etwa 0,2 bis 0,9, typischer
0,3 bis 0,8 und selbst noch 0,4 bis 0,6 Gew.-% Co; und etwa 1,5
bis 2,4, typischer 1,7 bis 2,2 und selbst noch 1,8 bis 2,0 Gew.-%
Ni, wobei der Rest Cu und nebensächliche
Verunreinigungen ist. Hier sollten die erfindungsgemäßen Legierungen
nicht mehr als 0,15 Gew.-% Si, 0,10 Gew.-% Fe, 0,10 Gew.-% Al, 0,10
Gew.-% Sn und 0,05 Gew.-% jeweils Zn, Cr, Pb enthalten. Zusätzlich können die
erfindungsgemäßen Legierungen
kleine Mengen zusätzlicher
Bestandteile zum Verbessern der Legierungseigenschaften einschließen. Beispielsweise
können
die erfindungsgemäßen Legierungen
0,05 bis 0,50 Gew.-% Zr zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften
bei erhöhten
Temperaturen und 0,02 bis 0,20 Gew.-% Ti zum Verbessern der Kornmikrostruktur
enthalten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist gefunden worden, daß durch Einschließen von
Kobalt in den unbearbeiteten Legierungen, die typischerweise zum
Herstellen von Güssen
für einen
Schweißpistolenarm
der Klasse III verwendet werden, und ebenfalls durch Steuern des
(Ni + Co)/Be-Verhältnisses
solcher Legierungen auf wenigstens etwa 4, unbearbeitete Güsse für einen
Schweißpistolenarm
mit wünschenswerten
langen Nutzungsdauern sicher und konsistent erhalten werden können. Legierungen
mit einem (Ni + Co)/Be-Verhältnis von
etwa 4 bis 7, typischer etwa 4,5 bis 6 sind wünschenswert.
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Obwohl
man nicht an irgendeine Theorie gebunden werden möchte, wird
angenommen, daß der Hauptversagensmodus
von defekten Güssen
für einen
Schweißpistolenarm
von herkömmlichen
Design Belastungsermüdungsreißen entlang
der Korngrenzen des Metalls ist. Dieses Problem, das aufgrund der schlechten
und inkonsistenten Gußmikrostruktur
vorliegt, wird gemäß der vorliegenden
Erfindung durch Bilden des Gusses aus einer Legierung mit überlegener
Belastungsermüdungsreißwiderstandsfähigkeit
vermieden. Für
unbearbeitete BeCu-Legierungen, die Ni und weiter geeignete Mengen
von Co, wie oben angezeigt, enthalten, und welche ebenfalls (Ni
+ Co)/Be-Verhältnisse
von wenigstens etwa 4 aufweisen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung
gefunden worden, daß diese überlegene
Belastungsermüdungsreißwiderstandsfähigkeit zeigen,
obwohl sie ebenfalls die gleichen Festigkeits-, Härte- und
elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften
wie unbearbeitete Legierungen zeigen, die durch eine herkömmliche
Technologie hergestellt worden sind.
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ARBEITSBEISPIELE
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Um
die vorliegende Erfindung gründlich
zu beschreiben, werden die folgenden Arbeitsbeispiele bereitgestellt:
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Beispiele 1 bis 4
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Vier
Testprobenkörper,
die auf einen Abschnitt mit einem verminderten Durchmesser von 12,7
mm (0,50 inch) mit einer Meßlänge von
35,6 mm (1,4 inch) bearbeitet wurden und eine gesamte Probenlänge von etwa
152,4 mm (6 inch) aufwiesen, wurden durch Gießen geschmolzener Legierungen
in Gußformen
hergestellt und die Testprobenkörper
dann aus ihren Gußformen
entfernt. Die Probengüsse
wurden bei 899°C (1.650°F) lösungsgetempert,
in Wasser gequencht und für
3 Stunden bei 482°C
(900°F)
ausscheidungsgehärtet.
Die unbearbeiteten Testprobenkörper
wurden dann den in der folgenden Tabelle 1 genannten Tests unterzogen,
um ihre Eigenschaften zu bestimmen.
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Tabelle
1 – Eigenschaften
und Testverfahren
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Die
Zusammensetzungen der Legierungen, aus denen die Testprobenkörper hergestellt
wurden, und die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle
2 dargelegt:
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Tabelle
2 – Eigenschaften
der Beispiele 1 bis 4
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Aus
Tabelle 2 kann erkannt werden, daß jede Legierung gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Rockwell B Härte
von 95 oder höher
und eine elektrische Leitfähigkeit
von über
50% IACS zeigt. Zusätzlich
zeigt jede Legierung ebenfalls eine Lebensdauer von wenigstens 3,5
Millionen Zyklen, wenn sie einer zyklisch beaufschlagten Beanspruchung
von 22 bis 24 ksi unterzogen wird. Dies bedeutet, daß diese
Legierungen nicht nur gegenwärtige
industrielle Spezifikationen für
Schweißpistolengüsse der
Klasse III RWMA übersteigen – d. h.
eine Rockwell B Härte
von wenigstens 90 und eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 45%
IACS –, sondern
ebenfalls eine deutliche höhere
Lebensdauer zeigen als gegenwärtig
verwendete Legierungen zur Herstellung von Güssen für eine Schweißpistole.
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Vergleichsbeispiele A
bis E
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Beispiele
1 bis 4 wurden wiederholt, außer
daß die
Zusamensetzungen der Legierungen, die zum Herstellen der Testprobenkörper verwendet
wurden, ähnlich
waren, jedoch außerhalb
der Erfordernisse der vorliegenden Erfindung. Die erhaltenen Ergebnisse
werden in der folgenden Tabelle 3 dargelegt.
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Tabelle
3 – Eigenschaften
der Vergleichsbeispiele A bis E
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Wie
aus Tabelle 3 erkannt werden kann, zeigt die Legierung von Vergleichsbeispiel
C die beste Kombination an Eigenschaften. Nichtsdestotrotz versagte
diese Legierung dennoch, um die gegenwärtigen industriellen Spezifikationen
für Güsse für eine Schweißpistole
der Klasse III RWMA zu erfüllen,
da seine Härte
zu niedrig war. In ähnlicher
Weise versagten die Legierungen der Vergleichsbeispiele D und E,
um die gegenwärtigen
industriellen Spezifikationen für
Güsse für eine Schweißpistole
der Klasse III RWMA zu erfüllen,
da ihre elektrischen Leitfähigkeiten
inadäquat
waren. Die Legierungen der Vergleichsbeispiele A und B erfüllten auf der
anderen Seite die Erfordernisse für die Härte und elektrische Leitfähigkeit
dieser Standards. Nichtsdestotrotz zeigten beide Legierungen eine
schlechte Ermüdungsdauer,
wie es ebenfalls die Vergleichslegierungen D und E taten. Während die
Legierungen der Vergleichsbeispiele A und B gegenwärtige industrielle
Spezifikationen für
Güsse für eine Schweißpistole
der Klasse III RWMA erfüllen,
würden
sie nichtsdestotrotz lediglich der Idee nach ein kommerzielles Produkt
darstellen, da Güsse
für eine
Schweißpistole,
die aus diesen Legierungen hergestellt werden, einem vorzeitigen
Belastungsreißversagen
unterliegen würden.
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Vergleichsbeispiele
F bis Q
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Eine
Anzahl kommerziell verwendeter Güsse
für einen
Schweißpistolenarm,
die vorzeitig bei der kommerziellen Verwendung versagt hatten, wurden
visuell inspiziert, um ihre Versagensform zu bestimmen. Zusätzlich wurden
die verschiedenen anderen Eigenschaften der Legierungen, aus denen
diese Güsse
für einen Pistolenarm
hergestellt wurden, ebenfalls durch die oben erwähnten Testverfahren bestimmt.
Die Zusammensetzungen der verschiedenen Legierungen und die erhaltenen
Ergebnisse werden in der folgenden Tabelle 4 dargelegt:
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Tabelle
4 – Eigenschaften
der Vergleichsbeispiele F bis R
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Aus
Tabelle 4 kann erkannt werden, daß die Legierungen, die diese
kommerziellen Güsse
für einen Schweißpistolenarm
bilden, nichtsdestotrotz schlechte Mikrostrukturen in bezug auf
eine grobe und nicht einheitliche Korngröße ebenso wie eine erhöhte Porosität in bezug
sowohl auf beeinflußte
Bereiche und Schwere zeigen, obwohl sie die gegenwärtige industrielle
Spezifikation für
Härte und
elektrische Leitfähigkeit
relativ zu Güssen
für eine
Schweißpistole
der Klasse III RWMA erfüllen.
Von diesen schlechten Mikrostrukturen, die typischerweise einen
geringeren Gehalt an Beryllium und keine Verhältnisoptimierung der das Korn
veredelnden Elemente Co und Ni zeigen, wird angenommen, wenigstens
teilweise den Grund zu erklären,
warum die Güsse für einen
Pistolenarm, die aus diesen Legierungen hergestellt werden, vorzeitig
versagen.
